Kurzpulslaser im Chipformat

Laser, die extrem kurze Lichtblitze aussenden, finden sich heute in vielen Forschungslaboren – jedoch füllen sie dort meist den ganzen Raum aus. Nun gelang es Physikerinnen und Physikern, einen solchen Laser auf die Größe eines Computerchips zu schrumpfen. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, könnte ihre Forschung den Grundstein für extrem kompakte Detektoren legen.

Ihren Prototyp eines Kurzpulslasers konstruierte das Team um Qiushi Guo vom California Institute of Technology in Pasadena auf der Basis von Galliumarsenid – einem Halbleiter, der dazu dient, die Laserstrahlen zu erzeugen. Diesen kombinierten sie mit Kristallen aus einer weiteren Verbindung namens Lithiumniobat, das als Leiter für die Lichtwellen dient. Beide Komponenten ordneten die Forschenden auf einer Unterlage aus Silizium und Siliziumdioxid an und stellten so den nur wenige Millimeter großen Laserchip her.

Wie andere Kurzpulslaser nutzt der neue Miniaturlaser das Prinzip der sogenannten Modenkopplung: Die Lichtwellen im Laser werden so aufeinander abgestimmt, dass sie einander verstärken und daraus extrem kurze Lichtpulse entstehen. Das gelang den Forschenden, indem sie ein hochfrequentes – an die Laserpulse angepasstes – elektrisches Feld anlegten. Dieses Prinzip nutzen zwar auch die bisherigen, größeren Kurzpulslaser. Doch im neuen Laser ordneten sie den winzigen Wellenleiter so geschickt an, dass sie den Laser entsprechend klein halten konnten.

Billionstel Sekunden kurze Infrarotblitze

In Tests strahlte der Prototyp knapp fünf Pikosekunden – millionstel Teile einer millionstel Sekunde – kurze Blitze infraroten Lichts. Diese hatten eine Wellenlänge von 1065 Nanometern und wiederholten sich etwa zehn Milliarden Mal pro Sekunde. Dabei erreichte der Laser eine Höchstleistung von einem halben Watt – 500 Mal mehr als herkömmliche Laserpointer.

Künftig könnte der winzige Laser den Weg für kleine Detektoren – etwa in Smartphones – ebnen, die zum Beispiel Bakterien und Viren nachweisen. Diese reflektieren einfallendes Laserlicht auf charakteristische Weise, sodass sich die Reflexionen mit hochempfindlichen Sensoren nachweisen lassen. Weitere Anwendungen liegen in Chips, die digitale Daten mit Licht und daher schneller als andere Systeme verarbeiten. Sogar für Atomuhren im Chipformat könnte sich der Laser einsetzen lassen. Diese könnten „eine genaue Navigation ohne GPS-Signal ermöglichen“, so Guo. Mit diesen Anwendungen im Blick wollen die Forschenden nun nicht nur die Leistung ihres Kurzpulslasers weiter erhöhen, sondern auch die Lichtpulse noch kürzer machen – bis in den Bereich weniger Femtosekunden.